本发明属于太阳能热利用，具体涉及一种仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜。
背景技术：
1、随着现代海上作业半径的延拓和野外工程任务的紧迫加剧，对于工程机械和施工人员能源保障、淡水供给和取暖保温等多维度提出了更高的需求。高效的能源保障能为工程作业和野外施工任务效率提升提供有力支撑，因此，简易可得、覆盖面广、低成本的太阳能成为化解当前能源保障困境的最具潜力的清洁能源。当前，太阳能能源已经在各个领域得到广泛应用，如航空航天、光伏发电、海水淡化、光热转换等。合理高效地利用太阳能不仅能化解当前日益严重的能源危机、野外能源保障困难和环境污染等问题，还能为工业和科研各领域提供颇具优势的能源供给方案。
2、提升光热转换效率、光捕获效能和降低辐射热损耗成为当前太阳能领域的关键问题，而且人们对美学要求的逐步提升，还对太阳能器件的色彩、图案样式等有更高的要求。当前利用钙钛矿、晶体硅以及太阳能吸收薄膜的光电器件通过本征吸收和结构吸收实现太阳能的吸收与转换，但是大部分器件很难兼顾光吸收的角度不敏感性、红外波段的高热发射，且因红外区域的热发射损失导致较低的能量转换效率；同时多为深黑色或蓝紫色，难以满足目前对太阳能转换的高性能要求和美学要求。虽然出现了利用多层薄膜堆叠、光子晶体和谐振腔的彩色太阳能选择性吸收薄膜，但是为了兼顾色彩的显现，反射所呈现的结构色不可避免带来能量转换效率的衰减，难以保持较好的角度不敏感性。因此，基于反射模式的结构色无法兼顾颜色显示与能量转换性能，但为了降低应用成本以及便于和建筑物集成，满足美学需求和要求，又需要一种可以实现全彩显示的薄膜。所以开发高性能彩色太阳能选择性吸收薄膜对于解决能源匮乏、审美疲倦具有重要工程应用价值。此外，目前的彩色太阳能选择性吸收薄膜难以在单一薄膜上实现全色彩的显示，只能依赖于结构设计，通过调整膜层厚度做出不同的颜色，但是色域还是相对较窄，且薄膜的结构复杂，增加了制造难度，阻碍了其在太阳能领域的应用。
3、大自然经过自然选择和物竞天择、优胜劣汰的残酷筛选，产生了许多让人惊讶和近乎完美的生物功能结构，仿生技术也成为当前破解技术困境和难题的一种行之有效的方法，飞机、雷达、潜艇等都源自自然界生物结构的启发。蝴蝶、变色龙、孔雀等生物由于精细的微/纳米结构而呈现出明亮艳丽的结构色彩，而且能在高湿度、高海拔等地域维持自身体温，这对于彩色太阳能吸收薄膜提供了天然可借鉴的思路。
4、综上所述，现代工业能源保障和日益增长的能源需求对高效利用太阳能提出了新的考验。而且随着对于美学要求的提升，要求太阳能吸收薄膜具有彩色的外观，所以如何平衡太阳能吸收薄膜高效能源转换和增添美学元素之间的冲突，对于解决能源危机、新能源广泛推广落地具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜。该薄膜将二维光子晶体和一维异质膜系耦合产生协同作用，利用二维光子晶体的衍射和散射效应在不同光线入射角度下呈现不同的色彩，通过对一维异质膜系的结构设置起到减反射和光陷阱作用，增强太阳辐射波段的吸收效果，使得整个薄膜实现太阳能辐射波段的高效陷光，并具备中远红外波段低发射率以及角度不敏感性，获得具有可见光全色彩的高效太阳能选择性吸收薄膜，解决了太阳能辐射波段高效吸收与红外波段高反射的矛盾。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，包括一维异质膜系和自组装于一维异质膜系表面的二维光子晶体，所述一维异质膜系的结构为i1m1…immmmsub,其中，i1～im代表介质层，m1～mm代表金属层，m代表一维异质膜系的结构周期数，msub代表基底。
3、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述i1～im介质层的厚度为di，折射率为ni，且4nidi的数值随着结构周期数的增加遵循梯度渐变规律从约400nm起依次梯度递减。通常，介质层的材料选择与其折射率相关，而厚度选择与其折射率存在相关关系，因此通过上述限定条件，保证了薄膜能够获得最佳的陷光效果。
4、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述i1～im介质层的材料为sio2。通常，i介质层的材料包括氧化物材料，如mgo、baf2、sio、laf3、si3n4、tio2、ta2o5、zno、zns。
5、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述m1～mm金属层的材料选自w、cu、ni、ti、au、pt、pd、rh。通常，根据金属的折射率属性对金属插层中的金属进行选择，金属的折射率实部越大，对太阳光谱的反射会越强，虽然能够保持红外低发射率、减少热量损耗，但也会造成太阳能吸收性能的衰减；故本发明选择上述折射率实部相对较小、但折射率虚部较大的材料，保证了足够的热损耗强度，并减少反射，进而保证了薄膜对太阳能的吸收效果。
6、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述m1～mn-1为缺陷插层金属，且缺陷插层金属的总厚度不超过20nm。通过控制缺陷插层金属的总厚度，避免因插层金属过厚对太阳光强反射，虽然金属层的厚度增加，可以获得更低的红外发射率，但也会导致太阳能选择性吸收效果减弱。
7、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述1≤m≤3。通常，综合考虑薄膜的性能以制备成本，选择m＝2。
8、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述msub为硅片基底。本发明采用镀膜常用的硅片作为基底，扩大了本发明薄膜的原料范围。
9、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述二维光子晶体为由光子晶体微球通过气液界面自组装的方法形成的二维密堆积单层光子晶体。自组装方法的成本低、速度快，且自组装形成的二维光子晶体结构色效果好，不会破坏其下方的一维异质膜系。
10、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述光子晶体微球选自聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、金纳米球、银纳米球、聚丙烯酸甲酯微球。通常，基于不会影响太阳光谱的高效吸收和红外波段的低发射率特征选择制备二维光子晶体的光子晶体微球。上述优选的光子晶体微球，尤其是聚苯乙烯微球对红外波段的吸收较小，组装以后不会显著增大红外发射率而导致热量损耗的增大、减弱光谱选择性吸收表现。
11、上述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述一维异质膜系与二维光子晶体之间引入周期性超表面结构，且周期性超表面结构的基础单元为空心圆柱、空心棱台或空心圆球。通过在一维异质膜系与二维光子晶体之间引入周期性超表面结构，且周期性超表面结构设置在一维异质膜系表面，更好地为二维光子晶体附着提供位点，提升跨维度耦合效率，增强光热耦合效益。通常，周期性超表面结构的材质为介质材料sio2。
12、本发明与现有技术相比具有以下优点：
13、1、本发明受仿生启发，利用跨维度结构设计理念，将二维光子晶体和一维异质膜系耦合组成薄膜，通过二维和一维微纳结构的协同作用，利用二维光子晶体的衍射和散射效应在不同光线入射角度下呈现不同的色彩，结合将一维异质膜系的结构设置为i1m1…immmmsub，利用表面的介质层与自由空间实现良好的阻抗匹配，起到减反射作用，保证太阳光能有效进入薄膜内部，利用中间的金属-介质-金属构成异质谐振腔，起到光陷阱作用，利用金属插层的焦耳热损失存储，增强太阳辐射波段的吸收效果，从而使得整个薄膜发挥光子局域效应，实现太阳能辐射波段(200nm～2500nm)的高效陷光，并具备中远红外波段(2.5μm～25μm)低发射率以及角度不敏感性，获得具有可见光全色彩的高效太阳能选择性吸收薄膜，解决了太阳能辐射波段高效吸收与红外波段高反射的矛盾。
14、2、相比于传统多色太阳能选择性吸收薄膜利用反射模式呈现色彩，本发明的薄膜利用二维光子晶体的衍射和散射效应呈现结构色，在保证可见光宽色域色显现、实现多彩显示的同时，不会明显衰减能量转换效率和红外低热辐射损耗，化解了传统通过不同结构像素化拼接的繁琐步骤，在兼顾单一薄膜全彩显示的美学应用基础上，实现了高效的光热转换和太阳能利用，解决了现有太阳能吸收薄膜的可见光多色彩、太阳辐射高吸收及红外低发射率的困境难题。
15、3、本发明的薄膜具备太阳能辐射波段的高效陷光吸收(200nm～2500nm)及中远红外(2.5μm～25μm)的低发射率，并且兼具宽角域能量吸收和低热发射性能，从而具备高效能量转换效率和低辐射损耗的性能表现，实现了多色显现和高效选择性吸收，适用于太阳能转化、清洁能源、光热发电。
16、4、本发明薄膜的膜系结构简单，制备工艺易于实现，在降低成本的同时兼顾良好的选择性吸收效果，避免复杂膜系加工的加工难度大、误差容错率低等难题。
17、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
1.仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，包括一维异质膜系和自组装于一维异质膜系表面的二维光子晶体，所述一维异质膜系的结构为i1m1…immmmsub,其中，i1～im代表介质层，m1～mm代表金属层，m代表一维异质膜系的结构周期数，msub代表基底。
2.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述i1～im介质层的厚度为di，折射率为ni，且4nidi的数值随着结构周期数的增加遵循梯度渐变规律从约400nm起依次梯度递减。
3.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述i1～im介质层的材料为sio2。
4.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述m1～mm金属层的材料选自w、cu、ni、ti、au、pt、pd、rh。
5.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述m1～mn-1为缺陷插层金属，且缺陷插层金属的总厚度不超过20nm。
6.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述1≤m≤3。
7.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述msub为硅片基底。
8.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述二维光子晶体为由光子晶体微球通过气液界面自组装的方法形成的二维密堆积单层光子晶体。
9.根据权利要求8所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述光子晶体微球选自聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、金纳米球、银纳米球、聚丙烯酸甲酯微球。
10.根据权利要求1所述的仿生多彩跨维度高效太阳能选择性吸收薄膜，其特征在于，所述一维异质膜系与二维光子晶体之间引入周期性超表面结构，且周期性超表面结构的基础单元为空心圆柱、空心棱台或空心圆球。
